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La macchina che cerca l'origine dell'universo

In preparazione al CERN di Ginevra l’LHC la macchina più complessa mai costruita dall’uomo. Vi hanno lavorato per 10 anni circa 5 mila scienziati e tecnici provenienti da una cinquantina di Paesi....

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La macchina che cerca l'origine dell'universo

In preparazione al CERN di Ginevra l’LHC, la macchina più complessa mai costruita dall’uomo. Vi hanno lavorato per 10 anni circa 5 mila scienziati e tecnici provenienti da una cinquantina di Paesi. L’italiano Michelangelo Mangano, fisico teorico al CERN, ci spiega perché è stato concepito questo grande progetto e come potrebbe rivoluzionare le nostre conoscenze sui principi fondamentali dell’universo.

 

Due tecnici alle prese con uno dei 4 strumenti dell'Lhc, il rivelatore ALICE. Al suo interno verranno fatti collidere atomi di piombo. Nel corso di questo esperimento, per pochi secondi, si formerà una palla di fuoco che ricreerà la condizione dell'universo a pochi istanti dal Big Bang.

 


di Andrea Parlangeli

L’LHC (Large Hadron Collider, cioè “Grande Collisore di Adroni”) è un gigantesco anello, lungo 27 km, sepolto a circa 100 metri di profondità. Al suo interno, a partire dal prossimo maggio cominceranno a muoversi fasci di protoni a velocità prossime alla velocità della luce (300 mila km al secondo), al fine di studiare le proprietà fondamentali della materia.

Ma perché costruire strumenti così complessi e costosi?
L’obiettivo fondamentale è studiare i mattoni fondamentali della materia e i principi di base su cui si basa l’intero universo. Per ottenere questo risultato, si faranno scontrare fra loro fasci di particelle subatomiche, i protoni, che si muovono in direzioni opposte.

Aiuto!!!


Vi siete persi tra bosoni, quark ed elettroni?
Consulta un essenziale glossario e un mini grafico che spiega la fisica delle particelle.

Nell’ LHC, quando funzionerà a regime, ci saranno 300 mila miliardi di protoni per ognuno dei sensi di marcia, suddivisi in 2.808 pacchetti a distanza di 7,5 metri l’uno dall’altro. I fasci si incroceranno in 4 punti, dove sono posizionati i rivelatori dei 4 esperimenti (ATLAS, CMS, Alice e LHCb): qui avverranno gli urti tra protone e protone che vogliamo studiare.

Che cos’ha l’LHC di diverso dagli altri acceleratori di particelle, come il Tevatron al Fermilab di Chicago o il vecchio LEP, sempre al CERN?
Le differenze principali sono due: l’energia dei protoni (e quindi degli urti) e la luminosità, cioè la quantità di urti per unità di tempo.
Il fattore più importante è l’energia. Rispetto al più potente acceleratore di particelle oggi in funzione, il Tevatron al Fermilab di Chicago, l’LHC potrà accelerare i protoni a un’energia 7 volte superiore: “14 Tev” (teraelettronvolt). Indicativamente, è l’energia di una zanzara che vola. Può sembrare poco. Ma questa energia sarà compressa in un volume immensamente più piccolo (10-37) di una zanzara. Questa concentrazione di energia rende possibile un fenomeno previsto dalla teoria della relatività di Einstein, la trasformazione di energia in materia. Dall’urto di 2 protoni energetici, nascono così apparentemente dal nulla centinaia di altre particelle, dando vita a quello che in fisica si chiama un “evento”. Il nostro scopo è quello di individuare, tra i tantissimi (circa 1 miliardo) eventi che avvengono ogni secondo, i più interessanti. Quelli, cioè, in cui si creano particelle nuove o si verificano fenomeni che vanno al di là della teoria attualmente condivisa (il Modello Standard).
Dopo 10 anni di lavoro, al quale hanno partecipato almeno 5000 scienziati e operai provenienti da tutto il mondo (foto), a maggio 2008 entrerà in funzione l'Lhc. Sarà il più grande e complesso strumento scientifico mai costruito. I suoi rivelatori funzioneranno a 271,25 °C sotto zero.
All’aumentare dell’energia, oltretutto, è possibile studiare fenomeni che avvengono su scala più piccola: è come aumentare la potenza di ingrandimento di un microscopio.
I fenomeni più interessanti che cerchiamo, però, sono anche molto rari. E per questo è anche importante la luminosità dello strumento, cioè il numero di collisioni che avranno luogo ogni secondo. La luminosità dell’LHC è un centinaio di volte maggiore di quella del Tevatron.

 

 

Un mostro gigante per una particella subatomica. A 100 metri di profondità, in un'enorme caverna si trova il rivelatore CMS, alto 15 metri, lungo 21 e pesante 12.500 tonnellate. Il suo ruolo è cruciale. Sarà lui, con il rilevatore Atlas, a cercare il bosone di Higgs e altre particelle sconosciute. Come? Trovando le sue tracce nello scontro tra protoni. Il bosone di Higgs, infatti, dovrebbe esistere soltanto per un istante, prima di disintegrarsi in altre particelle.

 



Che cosa cercherete negli esperimenti?
L’obiettivo principale è il bosone di Higgs, una particella che fu prevista dal fisico britannico Peter Higgs nel 1964 per dare coerenza al Modello Standard. La particella di Higgs è importante perché la sua esistenza è necessaria per giustificare una proprietà sotto gli occhi di tutti: la massa (che è proporzionale al peso). Nel Modello Standard, se non ci fosse la particella di Higgs, le particelle non avrebbero massa. La massa delle particelle, secondo questa teoria, dipende da quanto intensamente esse interagiscono con il bosone di Higgs: un elettrone, per esempio, sarebbe più leggero di un quark perché interagisce meno con il bosone di Higgs.


Parte del materiale usato per realizzare il rilevatore CMS deriva dalle munizioni della Marina Militare russa: migliaia di proiettili in ottone sono stati fusi e trasformati in centinaia di lastre.


Finora, però, di questa particella non è stata dimostrata l’esistenza. La sua ricerca è in corso al Tevatron del Fermilab di Chicago, ma non ci sono ancora certezze: la creazione del bosone di Higgs potrebbe richiedere un’energia maggiore di quella disponibile al Tevatron, oppure potrebbe essere un evento così raro per quella struttura da richiedere una luminosità maggiore.
In ogni caso, se questa particella ha le proprietà che tutti si aspettano, potrà essere sicuramente creata, osservata e studiata all’ LHC.

E se invece non si dovesse vedere?
Sarebbe una sorpresa, e bisognerà trovare una spiegazione anche a questo. Comunque è più probabile che si verifichino altre possibilità. Per esempio, che esistano non una ma più particelle di Higgs di tipo diverso. Lo prevedono per esempio le teorie “supersimmetriche”, che estendono il Modello Standard nel tentativo di spiegare l’origine della forza di gravità.
La teoria della supersimmetria, tra l’altro, prevede anche l’esistenza di nuove particelle, note come “partner supersimmetrici”, che accompagnano ciascuna particella del Modello Standard. Se esistono, tali particelle hanno massa sufficientemente grande da essere finora sfuggite a tutte le ricerche; è tuttavia previsto dalla teoria che almeno alcune delle più leggere fra loro possano essere scoperte all’ LHC, segnando un traguardo importante che rivoluzionerebbe la nostra conoscenza dell’universo. Alcuni scienziati credono infatti che una particella supersimmetrica (il più leggero fra i cosiddetti neutralini, partner supersimmetrici della particella di Higgs e del fotone, responsabile della forza elettromagnetica) esista già in abbondanza nell’universo, ma sia invisibile ai nostri strumenti di misura. Sarebbe questa la responsabile della cosiddetta “materia oscura”, della quale gli astronomi deducono l’esistenza sulla base delle osservazioni delle galassie (se non ci fosse la sua attrazione gravitazionale, molte galassie dovrebbero smembrarsi), ma di cui nessuno ha potuto misurare direttamente la composizione precisa.

 

 

Grande quanto la navata di una chiesa, il rilevatore ATLAS sarà impiegato per registrare i bosoni di Higgs. Nel tubo blu (in basso a destra) correranno e si scontreranno ad altissima velocità minuscole particelle. Il cuore del rilevatore però è composto da 8 enormi magneti (riconsocibili per le strisce arancioni) lunghi 25 metri e pesanti 100 tonnellate ciascuno.

 



Particella (o particelle) di Higgs, supersimmetria… c’è altro?
Sì. Gli esperimenti potrebbero dimostrare l’esistenza di nuove forze della natura, oltre alle 4 già note (gravità, elettromagnetismo, forza nucleare forte e forza nucleare debole). Secondo alcune teorie, potrebbero esistere nuove forze simili a quella nucleare debole, ma molto più deboli, che si manifestano solo su scale molto piccole rispetto al nucleo atomico. Queste forze potrebbero servire a ristabilire la simmetria tra destra e sinistra, simmetria non rispettata dalle forze nucleari deboli.
Potrebbero anche esistere nuovi livelli di struttura all’interno di quelle che oggi consideriamo particelle elementari. L’energia degli acceleratori di particelle è, infatti, come il fattore di ingrandimento di un microscopio ottico: maggiore è l’energia, maggiore è la capacità di guardare nel piccolo. All’Lhc sarà perciò possibile “guardare” all’interno di elettroni e quark… e si potrebbe scoprire che sono composti da altre particelle ancora più piccole, tenute insieme da nuove forze.

La sala di controllo dell'Lhc. Dei milioni di eventi che accadranno nei laboratori sotterranei, ne verranno registrati e analizzati soltanto una minima parte.

Nel caso in cui si scoprissero nuove forze della natura, comunque, si dovrebbero scoprire anche nuove particelle associate a tali forze, perché a ogni forza della natura è associata una particella “mediatrice” (cioè che trasmette la forza). I fotoni per esempio, sono i mediatori delle forze elettromagnetiche, nel senso che due calamite che si attraggono, per esempio, lo fanno scambiandosi una grande quantità di fotoni virtuali. Poi ci sono i gravitoni (ancora non rilevati) associati alla gravità, i gluoni associati alle forze nucleari forti e i bosoni W e Z (quelli scoperti da Carlo Rubbia) associati alle forze deboli.

Qualcuno parla perfino di dimensioni nascoste…
Può darsi. Secondo la teoria delle stringhe dovrebbero esistere 6 dimensioni spaziali in più rispetto allo spazio tridimensionale nel quale viviamo. E alcune di queste dimensioni “nascoste” del mondo, che non possiamo percepire su scala umana, potrebbero essere osservabili su scala microscopica. Finora, però, non ne è stata trovata traccia e sono stati posti limiti molto stringenti sulla loro struttura e sulla possibilità che siano osservate. Sebbene improbabile, rimane comunque possibile che siano rilevate all’Lhc.

Come si farà a distinguere tra le innumerevoli teorie esistenti?
Indubbiamente sarà una grande sfida, perché esistono molte teorie che ambiscono a superare il Modello Standard e che fanno previsioni difficili da verificare. Però dagli esperimenti potrebbero nascere anche sorprese. Per questo è importante effettuarli: al momento, il progresso della nostra comprensione teorica richiede nuovi dati sperimentali.

 

 

La costruzione di tutto l'impianto (nella foto il rilevatore Alice) ha richiesto una decina di anni. Il progetto approvato nel 1996 aveva un budget di 6 miliardi di euro.

 



Quanto abbiamo discusso, però, riguarda solo due esperimenti, ATLAS e CMS. E gli altri?
Ci sono anche LHCb e Alice.
LHCb è un esperimento concepito per studiare le lievi asimmetrie tra materia e antimateria. Asimmetrie che potrebbero anche spiegare il motivo per cui l’universo in cui viviamo è dominato da materia, mentre l’antimateria è praticamente assente.
Alice è invece pensato per studiare uno stato particolarmente interessante della materia, il “plasma di quark e gluoni”, di cui era composto l’universo nei primissimi istanti (20-30 microsecondi) dopo il Big Bang. Il plasma di quark e gluoni è una materia nucleare a grande densità e temperatura elevatissima (mille miliardi di gradi), di cui si conosce molto poco, e che nell’esperimento Alice sarà ottenuto facendo scontrare tra loro nuclei di piombo.

I tecnici - arrivati sul posto in bicicletta - collegano due tratti del condotto lungo 27 km. Il lunghissimo "tubo" dove corrono le particelle è costituito da 1.232 elementi.
Quando cominceranno gli esperimenti?
Se tutto procede secondo le previsioni (e i ritmi di lavoro sono molto serrati), l’acceleratore sarà pronto nella primavera del 2008 e a fine maggio cominceranno le operazioni. Ci vorranno ancora un paio di mesi di rodaggio; per esempio all’inizio si faranno girare solo i protoni di un fascio, prima di immettere entrambi i fasci ed iniziare le collisioni vere e proprie. Collimare bene i fasci e controllarne con cura il moto entro l’acceleratore è importante… non bisogna dimenticare che, anche se un singolo protone ha l’energia di una zanzara, tutti i protoni dei fasci messi insieme - anche se pesano meno di un granello di polvere - hanno l’energia di 80 kg di tritolo! Perderne il controllo potrebbe dunque danneggiare seriamente le apparecchiature ...
Bisognerà aspettare fine luglio prima di cominciare con le collisioni, e all’inizio bisognerà procedere con una luminosità ridotta. Speriamo di essere operativi per la fine dell’estate. Ma poi saranno necessari altri mesi per la raccolta e per l’analisi dei dati. Non bisogna dimenticare che in ogni secondo avranno luogo circa cento milioni di eventi, di cui ne saranno selezionati e registrati 100 al secondo, per un flusso di 100 Mbyte di dati al secondo: quanto basta per scrivere 6 milioni di cd da 500 MB in un anno di raccolta dati. Per gestire quest’enorme mole di dati è stata creata un’apposita tecnologia per il collegamento in rete di molti computer: il Grid. Già oggi possiamo trasferire dati dal CERN ad un tasso di oltre 100 Gigabit per secondo, 10000 volte più veloce dell’Adsl, ed avere accesso a questi dati, distribuiti in centri sparsi in giro per il mondo, dal computer sulla nostra scrivania. In fondo il World Wide Web è nato qui, al CERN di Ginevra, negli anni ’80. E oggi, per gestire i dati dell’Lhc, qui si sta costruendo anche il futuro di Internet.

Per saperne di più

Chi fosse interessato ad approfondire l'argomento può seguire due lezioni (in inglese) che Michelangelo Mangano ha tenuto a professori del liceo.
Riguardano la fisica delle particelle e l'Lhc. Si trovano a questi indirizzi:

Lezione 1

Lezione 2

Per ascoltarle è necessario il plug-in Real player.



 

9 ottobre 2007